利用報告書 / User's Reports


【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.03.28】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23OS1002

利用課題名 / Title

希土類添加半導体を有するナノ光デバイスの研究

利用した実施機関 / Support Institute

大阪大学 / Osaka Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

膜加工・エッチング/ Film processing/etching,電子顕微鏡/ Electronic microscope,集束イオンビーム/ Focused ion beam,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,量子効果デバイス/ Quantum effect device,フォトニクス/ Photonics,量子効果/ Quantum effect


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

舘林 潤

所属名 / Affiliation

大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

OS-003：200kV原子分解能走査透過分析電子顕微鏡
OS-005：複合ビーム３次元加工・観察装置
OS-102：SEM付集束イオンビーム装置
OS-111：リアクティブイオンエッチング装置


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

超スマート社会の実現に向け、次世代ディスプレイ技術の開発が近年盛んに行われている。我々は、素子サイズを格段に小型化できる構造としてGaN系ナノワイヤに注目している[1-3]。ナノワイヤ構造は格子不整合を無視した材料組成を組み合わせた結晶成長が可能であり、成長条件を変化させることで直径及び高さを制御することができる。また、フレキシブル基板に転写することが可能であり、ナノワイヤ1本を素子とした3原色フレキシブルナノ発光源の実現を目指している。我々はその第一歩として、希土類元素であるEuを添加したGaN(GaN:Eu)を発光層に用いた赤色発光ナノワイヤの作製に成功している[4,5]。一方で、緑色の希土類発光を半導体で実現すべく、Tbを添加したAlGaN(AlGaN:Tb)薄膜の結晶成長に取り組んでいる[6]。本研究では、この技術をナノワイヤ構造に応用したAlGaN:Tb/GaNナノワイヤの作製に取り組み、光励起下でTb3+イオンに起因する発光を室温にて観測した。

実験 / Experimental

本研究では、(0001)サファイア基板上に無添加GaN (ud-GaN)層成長後、円孔を三角格子状に配置したSiO2マスクパターンを電子線描画および反応性イオンエッチングにより形成した。その後、選択有機金属気相エピタキシャル法 (Organometallic Vapor Phase Epitaxy: OMVPE) によりud-GaNコア、AlGaN:Tb層の順に再成長を行った。試料構造をFig.(a)に、ud-GaNコアナノワイヤのSEM像をFig.(b)に示す。ナノワイヤ成長後、走査型電子顕微鏡(SEM)による構造観察およびフォトルミネッセンス(PL)測定（励起レーザとしてYAG4thレーザ）による発光特性評価を行った。また集束イオンビーム加工によりナノワイヤの断面試料を作製し、断面透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光法(EDS)により構造解析を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig.(c)に成長したAlGaN:TbナノワイヤのSEM像を示す。成長条件を最適化することで、AlGaN:Tbナノワイヤから光励起下でTbの発光を得ることに成功した[7]。また、AlGaN:Tb層の成長においてAl原料流量比を増加させることにより、Tbの発光強度が増大することが分かった。作製したナノワイヤについて断面EDSマッピング測定を行ったところ、AlGaN:Tb層がシェル状に成長できていることが確認できた(Fig.(d))。さらに、ナノワイヤをポリジメチルシロキサンと呼ばれるフレキシブル樹脂に転写し、転写後の樹脂中のナノワイヤから光励起下でTbの発光を得ることに成功した(Fig.(e))。これらの結果は、高精細な3原色フレキシブルナノ発光源の実現に向けた重要な成果である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


Fig (a) Schematic of an AlGaN:Tb/GaN core-shell NW. SEM images of (b) GaN core NWs and (c)  AlGaN:Tb/GaN core-shell NWs. (d) EDS mapping of the fabricated NW indicating spatial distribution of Al. (e) RT PL spectra of AlGaN:Tb NWs in PDMS.


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] K. Choi et. al., J. Cryst. Growth 58, 357 (2012). [2] B. O. Jung et. al., Cryst. Eng. Comm. 16, 2273 (2014). [3] H. Sekiguchi et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 55, 05FG07 (2016). [4] T. Otabara, Y. Fujiwara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 61. SD1022(2022). [5] T. Otabara, T. Yoshimura, Y. Fujiwara et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 62 SG1018(2023). [6] R. Komai, Y. Fujiwara et. al., J. Appl. Phys. 131, 073102 (2022). [7] 吉村拓真, 藤原康文 他, 日本材料学会半導体エレクトロニクス部門委員会2023年度第2回研究会(2023).


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Jun Tatebayashi, Red Electroluminescence from Light Emitting Diodes Based on Eu-Doped ZnO Embedded in p-GaN/Al2O3/n-ZnO Heterostructures, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 12, 076017(2023).
    DOI: 10.1149/2162-8777/ace655
  2. Jun Tatebayashi, Formation and Optical Characteristics of GaN:Eu/GaN Nanowires for Applications in Light-Emitting Diodes, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 12, 096003(2023).
    DOI: 10.1149/2162-8777/acf6ff
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. J. Tatebayashi, T. Otabara, T. Yoshimura, D. Timmerman, S. Ichikawa, and Y. Fujiwara: "Demonstration of GaN:Eu/GaN nanowire light emitting diodes grown by selective metalorganic vapor phase epitaxy," International Conference on Nano-photonics and Nano-optoelectronics 2023 (ICNN2023), ICNN5-03, Pacifico Yokohama Conference Center, Yokohama, Japan, April 19-21 (2023).
  2. K. Nishimura, J. Tatebayashi, S. Ichikawa, S. Yamada, Y. Nakajima, K. Sato, K. Hamaya, and Y. Fujiwara: "Red electroluminescence from Eu-doped ZnO in p-GaN/Al2O3/n-ZnO heterostructure," 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICDS-14), MoP-GR-47, Hilton Fukuoka Sea Hawk, Fukuoka, Japan. November 12-17 (2023).
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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